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Bacchi y Scarabino – Estudio aerodinámico del efecto de un flap Gurney en una pala de aerogenerador en posiciones fijas
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ESTUDIO AERODINÁMICO DEL EFECTO DE UN FLAP GURNEY EN
UNA PALA DE AEROGENERADOR EN POSICIONES FIJAS
F. Bacchi y A. Scarabino
Grupo Fluidodinámica Computacional – GFC
Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de La Plata
116 s/n entre 47 y 48 - (1900) La Plata - Argentina.
Email: fbacchi@ing.unlp.edu.ar
RESUMEN
El trabajo presenta los resultados de simulaciones numéricas mediante un programa de Mecánica de
Fluidos Computacional (CFD) del flujo en torno a una pala de generador eólico de 1.5 kW en
distintas posiciones estáticas: bandera, arranque y peor condición de carga, para configuraciones de
pala con y sin un dispositivo hipersustentador conocido como flap Gurney, reproduciendo ensayos
realizados en túnel de viento.
Palabras clave: generador eólico, hipersustentadores, flap Gurney
INTRODUCCIÓN
La performance de perfiles operando en bajos números de Reynolds ha sido un tópico de interés
creciente en las últimas décadas, interés que se magnifica en el caso de turbinas eólicas de baja
potencia, para uso domiciliario.
Un flap Gurney consiste en una banda de pequeña altura ubicada en la zona del borde de fuga sobre el
intradós de un perfil. Su altura es típicamente entre el 1% y el 4% de la cuerda [1]. Esta configuración
brinda un incremento apreciable del máximo coeficiente de sustentación, aunque produciendo un
pequeño cambio en el ángulo de pérdida [2,3]. Estos dispositivos generan una estela asimétrica y
fluctuante, que ha sido estudiada exhaustivamente en el Grupo Fluidodinámica Computacional y el
Laboratorio de Capa Límite y Fluidodinámica Ambiental de la Facultad de Ingeniería de la UNLP [4-
6]. Otros investigadores han estudiado su aplicación en aviones y rotores de helicópteros y se han
llevado a cabo algunos estudios experimentales sobre turbinas eólicas [7, 8].
Para una turbina eólica de eje horizontal y paso fijo, la posición de arranque de las palas es a un
ángulo de ataque muy alto y muy baja eficiencia, con flujo desprendido sobre prácticamente toda la
envergadura, lo que causa fuerzas importantes tanto estáticas como dinámicas, a través de
desprendimientos periódicos de vórtices [6,9], afectando la vida de servicio de la turbina.
Simultáneamente se debe generar suficiente torque para comenzar la rotación y con ello incrementar la
eficiencia aerodinámica, al acercarse a la velocidad óptima de rotación. Los miniflaps Gurney mejoran
la performance de los perfiles a altos ángulos de ataque y es esperable que incrementen el torque
inicial en el rotor, reduciendo en consecuencia la velocidad del viento de arranque e incrementando la
producción total de energía. Con esta motivación se encaró el presente trabajo. Se presenta una
descripción del análisis numérico y resultados para una pala de un generador de 1.5 kW de potencia
nominal, con un flap Gurney de altura aproximadamente igual al 2% de cuerda, ubicado sobre el borde
de fuga de la pala.
METODOLOGÍA
Para el análisis de problemas en Mecánica de Fluidos Computacional o CFD (Computational Fluid
Dynamics), se discretiza la región de estudio de interés del problema físico (dominio) en volúmenes
más pequeños de distintas formas y tamaños, en los cuales se resuelven las ecuaciones fundamentales
de conservación de masa, cantidad de movimiento, energía, etc., mediante el uso de métodos
numéricos [10].
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El dominio elegido para el desarrollo de este trabajo consiste en una sección del túnel de viento de
capa límite de 10 m de longitud, con una sección transversal de 2,6 m de ancho por 1,85 de alto. Este
dominio incluye la sección de prueba del túnel y dos tramos, aguas arriba y aguas abajo. Este último se
extendió significativamente a los efectos de permitir una descarga del fluido minimizando las
perturbaciones causadas por la pala. A la entrada se definió una velocidad constante de 9 m/s. La
turbulencia en la entrada es del 3%, similar a la medida en el túnel de viento, con una escala espacial
de 0.1 m. El número de Reynolds basado en la cuerda de la pala varía para cada sección, pero está en
el orden de 1e5.
Se empleó un esquema multibloque en el que el dominio se fue subdividiendo en una serie de bloques
que permitiesen optimizar la cantidad y calidad de elementos, concentrándolos en aquellos sectores
donde se precisa modelar las estructuras fluidodinámicas producto de la presencia de la pala.
La pala fue colocada en forma vertical, siguiendo la metodología a emplearse en la simulación física.
Para el mallado se empleó un esquema híbrido no conforme, con elementos tipo hexa, tetra y prisma.
Se dividió a la pala en estaciones de igual ancho y cada porción del fluido, siempre que fue posible, se
malló usando la metodología “sweep”, que consiste en generar una malla “extrudada” en la sección.
De esta forma se consiguen elementos de buena calidad y disminuye significativamente su número. La
Figura 1 muestra el dominio y un detalle de la malla en el entorno de la pala.
Figura 1. Dominio de cómputo y detalle del mallado en una sección de la pala.
La cantidad de elementos varía desde los 5 hasta los 20 millones, según la posición que toma la pala
respecto de la corriente incidente, y si tiene el flap Gurney o no. Este aumento se observa en los
modelos que tienen el mini flap, ya que dadas las dimensiones del mismo, que van desde los 2 mm en
la raíz hasta 1 mm en la punta, se generan estructuras fluidodinámicas de esta escala espacial, lo que
inevitablemente produce una malla muy refinada en la zona del flap y su estela.
Se creó una capa límite alrededor de la pala, con los criterios de mallado acordes al modelo de
turbulencia elegido para el análisis. En esta etapa, se realizó el cálculo con el programa Ansys Fluent,
usando la metodología RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) con el modelo de dos ecuaciones k-
ε “realizable” con función de pared “scalable”.
El caso se inicia usando el esquema “pseudo transient”, que permite obtener rápidamente una solución
preliminar antes de pasar al análisis no estacionario. El paso de tiempo varía dependiendo del ángulo
de incidencia de la pala y de si tiene instalado el flap Gurney, siendo el caso de posición de la pala a 0
grados con el miniflap Gurney colocado, el que precisa un paso temporal más pequeño (pero también,
por otra parte, resulta ser uno de los modelos que menos elementos necesita).
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Para la configuración general se emplearon condiciones de borde de velocidad a la entrada y presión a
la salida. Para la discretización espacial se usaron esquemas de segundo orden, tipo “upwind” y para la
temporal esquemas de segundo orden implícitos. El paso temporal fue fijado en 1e-5 s, definido en
función de la frecuencia de desprendimientos periódicos de vórtices generados en el flap.
Los residuos en todos los casos se fijaron finalmente en el orden de 1e-8 y se verificó la independencia
de la solución con el mallado a partir de sucesivos refinamientos en las regiones de interés. La
convergencia de cada caso llevó aproximadamente 4 días de corrida con 16 núcleos Intel en paralelo.
Los resultados de la simulación fueron comparados con mediciones de cargas aerodinámicas y
presiones llevadas a cabo en el túnel de viento del Laboratorio de Capa Límite y Fluidodinámica
Ambiental (LaCLyFA) del Departamento Aeronáutica. Para los experimentos se construyó una pala de
materiales compuestos equipada con tomas de presión, a la que se colocaba o quitaba el flap Gurney.
Se utilizaron una balanza aerodinámica de dos componentes, desarrollada y construida en el
LaCLyFA, y un multimanómetro marca Pressure Systems. La Figura 2 muestra la pala instalada en el
túnel de viento para las mediciones. Los resultados de cargas totales se comparan con los calculados
en forma numérica. Las distribuciones de presión experimentales, están aún siendo procesadas. Se
realizaron los cálculos y mediciones para tres posiciones de la pala. Se tomó como referencia una
sección a una distancia r del eje, con r/R = 0.6 (R es el radio de la punta de pala), y se adoptaron
ángulos de incidencia para esa sección de 0, 30 y 90 grados respectivamente.
Figura 2: Pala en el túnel de viento.
RESULTADOS
Entre los cambios significativos que produce el flap Gurney en el flujo y contribuyen a las mejoras en
eficiencia aerodinámica del perfil, están los desprendimientos asimétricos de vórtices de pequeña
escala (comparable a la altura del flap). Era por lo tanto de importancia que la simulación numérica
fuera capaz de capturar este efecto, lo que se logró, como se muestra en la Figura 3.
Tomas de presión
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Figura 3: Pala a 0 grados con flap Gurney: isosuperfice de vorticidad, que muestra los desprendimientos
vorticosos periódicos en el flap, asì como los vórtices de punta y raíz de la pala.
La torsión de la pala, definida en función de optimizar sus características aerodinámicas en operación,
hace que cuando está fija, el ángulo de ataque sea variable sección a sección, con una torsión de 24
grados entre la raíz y la punta. La Figura 4 muestra la distribución de velocidad del flujo en planos
horizontales en distintas secciones de la pala con flap Gurney, identificadas por su distancia r al eje de
rotación, para el caso de la pala a 0 grados de incidencia. Se aprecia que para esa posición la raíz se
encuentra con un ángulo de ataque negativo, debido a la torsión geométrica de la pala. La Figura 5
muestra las velocidades en la sección media de la pala, a r/R = 0.5.
Figura 4: Distribución normalizada de velocidad (rojo = máximo) para tres secciones de pala con flap Gurney a
0 grados. Las secciones no están a la misma escala geométrica.
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Figura 5. Distribución de velocidad en la sección correspondiente a r/R = 0.5. Izquierda: 30 grados, con flap
Gurney; derecha arriba: 0 grados, sin flap; derecha abajo: 90 grados, con flap. Los colores sobre la pala
corresponden a la presión sobre la misma.
Figura 6. Distribución de coeficiente de presiones con la pala a 30 grados, en distintas secciones. El borde de
ataque está a la izquierda (x negativo). Azul: sin flap, rojo: con flap.
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La influencia del flap Gurney en la distribución de presiones sobre un perfil puede apreciarse, para el
caso de la pala a 30 grados de incidencia, en la Figura 6. Se observa que el flap reduce el pico de
succión cerca del borde de ataque en el extradós, pero incrementa la sobrepresión en el intradós,
aumentando la sustentación total, incluso en esta condición de ángulos de ataque elevados y perfiles en
pérdida.
Tabla 1. Coeficientes de sustentación y resistencia de la pala, para ángulos de 0, 30 y 90 grados con
respecto al viento.
Cl 0
grados0.73
Cl 0
grados0.767
Cl 0
grados0.744
Cl 0
grados0.77
Cd 30
grados0.52
Cd 30
grados0.557
Cd 30
grados0.589
Cd 30
grados0.607
Cl 30
grados0.44
Cl 30
grados0.48
Cl 30
grados0.483
Cl 30
grados0.51
Cd 90
grados0.182
Cd 90
grados0.204
Cd 90
grados0.491
Cd 90
grados0.522
Cl 90
grados0.045
Cl 90
grados0.069
Cl 90
grados0.098
Cl 90
grados0.117
Cd 0
grados0.21
Cd 0
grados0.078
Cd 0
grados0.09
Cd 0
grados0.189
Sin flap Con flap Gurney
CFD Experimental CFD Experimental
La Tabla 1 sintetiza los coeficientes de sustentación CL (lateral, en este caso) y resistencia, CD, para
toda la pala, definidos en función del área en planta de la misma, comparando los resultados
numéricos y los experimentales. Los primeros tienden a predecir valores entre un 5 y un 10 %
menores, excepto para la pala a 90 grados, para la que la diferencia en las cargas laterales es algo
mayor. Consideramos que esta discrepancia (que consideramos aceptable para la validación del
modelo numérico) puede atribuirse, al menos parcialmente, a imperfecciones de construcción de las
palas físicas, pequeñas desviaciones entre estas y el CAD, impuestas por la metodología de
construcción en laminado de fibra de vidrio y resina, en particular en los espesores de pegado del
borde de fuga y el flap Gurney, incertidumbres en el perfil de velocidades que embiste la pala en el
túnel (no se realizó un relevamiento del campo espacial de velocidades), y las limitaciones propias del
modelo de turbulencia utilizado.
Se observa que el miniflap produce un aumento muy significativo de las cargas aerodinámicas en la
condición más exigente de la pala (90 grados) y también un aumento de la resistencia en la posición
más alineada con el viento (0 grados), mientras que para esta última condición la fuerza lateral no se
modifica apreciablemente.
Para una posición de 30 grados, se obtiene un incremento del 10% según los resultados numéricos y
6% según los resultados experimentales, en la carga lateral (favorable para el arranque de la turbina).
Si la turbina arranca desde la posición 90 grados, la fuerza lateral -que produce el torque inicial- se
incrementa con el flap Gurney en un factor cercano a 2. Se concluye por lo tanto que, si bien el flap
Gurney aumenta las cargas aerodinámicas totales en condición de rotor fijo, contribuye en forma
positiva al arranque de la turbina.
CONCLUSIONES
Se estudiaron en forma numérica y experimental el flujo y las cargas aerodinámicas en una pala de
generador eólico de baja potencia, en escala real. Los resultados experimentales muestran una
concordancia aceptable con los numéricos, validando así la metodología de cómputo utilizada.
Los valores de coeficientes de carga obtenidos en forma numérica fueron leve pero sistemáticamente
inferiores a los determinados experimentalmente. La razón debe estudiarse en forma más exhaustiva.
Para la pala fija, la principal contribución del flap Gurney se obtiene en las posiciones de 30 y 90
grados, en las que la fuerza lateral, que produce el torque inicial, aumenta con la implementación de
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este dispositivo, favoreciendo la condición de arranque de la turbina. Esto resulta particularmente
beneficioso para los generadores eólicos de eje horizontal de paso fijo, en los que la incidencia óptima
de las palas en condiciones de operación es de muy baja eficiencia para la situación de arranque. Debe
tenerse en cuenta, sin embargo, que también aumenta la resistencia aerodinámica y con ello las cargas
totales sobre la pala, lo que conlleva un requisito de mayor resistencia estructural.
La malla utilizada para el cálculo puede ser replicada para la turbina de tres palas, y la metodología
empleada para el cálculo ha sido validada para este problema, de modo que es factible realizar la
simulación de la turbina completa en distintas condiciones de operación para estudiar los efectos del
flap Gurney en su performance. Esto constituye el trabajo futuro dentro de esta línea de investigación.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se enmarca en el proyecto PICT 2008 – 226, “Aerodinámica de pequeñas turbinas eólicas
para regiones de vientos moderados”, y el Proyecto Acreditado para Incentivos I184 UNLP
“Aerodinámica de pequeños generadores eólicos”. Los autores agradecen la valiosa colaboración de
los Sres. Víctor Padilla y Nehuén Savloff en las pruebas experimentales, y del Mag. Ing. Gastón Bonet
en la construcción de la pala.
REFERENCIAS
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